植物杂种优势形成的分子遗传机理研究进展*

1 杂种优势的遗传学基础

关于杂种优势的遗传学基础，早在上个世纪初就提出了显性和超显性假说，但此后的80多年中一直没有重大进展，从全基因组杂合性与杂种优势关系上开展的大量研究也并不能解释杂种优势形成的遗传机理[2]. 进入90年代后，QTL定位方法的建立为探讨QTL杂合度及互作方式与杂种优势的关系奠定了基础. Stuber等[3]首先研究了QTL互作方式与玉米杂种优势的关系，认为超显性是杂种优势的遗传基础. 随后，Xiao等[4]提出显性是水稻杂种优势的主要遗传基础, 但Li 等[5]对水稻的生物学产量和籽粒产量的QTL研究表明，大多数和自交衰退以及杂种优势相关的QTL表现为上位性，90%对杂种优势有贡献的QTL表现为超显性，因此认为上位性和超显性是水稻杂种优势的遗传学基础，这与Luo 等[6]同样以水稻为材料得到的研究结果相类似. 最近，我国科学家采用“永久F2群体”这一新颖的实验设计，对水稻和玉米等作物的QTL互作方式与杂种优势的关系研究发现，所有类型的遗传效应，包括单位点的部分显性，完全显性和超显性以及二位点间的三种类型互作都对杂种优势有所贡献，这说明长达一个世纪关于杂种优势遗传学基础的各种学说都是相对不完整的[7, 8].

在杂种优势QTL精细定位的基础上，培育杂种优势QTL的近等基因系或渗入系，可以进一步阐明位点遗传效应及其互作与杂种优势形成的关系，同时也为开展杂种优势QTL的克隆奠定了重要的材料基础. 例如，Semel等[9]构建了由栽培番茄和野生番茄杂交而衍生出的76个渗入系和近等基因系，然后进行近等基因系与亲本之间的杂交，对QTL位点与杂种优势性状的关系进行分析后发现，与生殖相关的正效应QTL以超显性遗传模式占优势，而负效应QTL则以隐性遗传模式占优势. He等[10]精细定位了水稻2号染色体产量杂种优势相关QTL位点qGY2-1，发现该位点在杂合状态下产量及相关性状表现出超显性效应. 进一步研究发现，位于分子标记RM279和SBG1之间的8个LRK LRR-Kinase）家族基因具有单倍型结构特点，并且在杂种一代为显性互补或超亲表达. 转基因实验研究也证实，qGY2-1位点的LRK基因具有控制水稻产量三要素，即穗数、穗粒数和千粒重的功能，这是国际上首次克隆控制水稻产量杂种优势形成的QTL.

2 杂种优势的分子生物学基础

2.1 杂交种与亲本之间的基因表达谱分析

研究表明，表型变异的分子基础在于基因表达的变化. 从基因组组成上看，杂交种的全部基因组来自两个亲本，并没有新的基因出现, 但其性状并非亲本的简单组合，这可能与来自亲本的基因在杂种一代的基因表达方式改变有关[2]. 最近的研究结果表明，杂交种与亲本相比，不但在转录组上出现显著变化[11~25]，而且在蛋白质组上也发生了明显的表达改变[26~30]，表现为加性和非加性等差异表达模式，其中加性表达表示杂交种中的表达水平等于两个亲本的平均值，即中亲表达，可以解释为基因的加性效应.在非加性表达模式中，存在单亲沉默、双亲共沉默、杂种特异、杂种增强、杂种减弱、杂种偏低亲和杂种偏高亲等多种差异表达类型，其中单亲沉默、杂种偏低亲和偏高亲可解释为基因的显性效应，双亲共沉默及杂种特异、增强和减弱可解释为基因的超显性效应，这与在基因组水平的研究结果相吻合，即多种分子模型共同对植物杂种优势的形成起作用[29,

30]

. 进一步的研究发现，某些基因差异表达模式与水稻、玉米和小麦的某些性状

杂种优势存在显著的相关，这为从基因表达角度探讨作物杂种优势机理提供了重要理论依据[31~34] .

分析发现，杂交种与亲本之间的基因差异表达与选用的杂交组合、所研究的性状及发育时期有关[11~30]. 例如，Hoecker等[15]采用基因芯片方法对12个玉米杂交种及其亲本初生根的基因表达谱进行了分析，发现仅有一个基因，即超氧化物歧化酶2在所有组合中表现为超亲表达. 我们建立了小麦杂交种与亲本苗期叶片和根系蛋白表达谱，并进行了比较分析[30]. 从差异表达基因的比例来看，在根系和叶片中，分别有10%和5.5%的蛋白发生了差异表达，说明根系中有更多的基因发生了差异表达，这与转录水平的研究结果相吻合[18]. 从蛋白的功能来看，两个组织中的差异表达蛋白没有任何重叠. 因此，不同性状的杂种优势由部分不冗余基因位点所决定，所以从基因表达水平上进行杂种优势机理研究，需要从特定的性状入手，并首先确定该性状杂种优势形成的关键发育时期.

迄今为止，已经建立了水稻、小麦和玉米等植物的杂交种与亲本不同组织和器官的表达谱，并筛选出了大量的差异表达基因. 功能分类结果显示，这些差异表达基因涉及到转录和翻译、代谢、能量、信号传导、细胞结构和胁迫响应等类

别[11~40]. 尽管这些差异表达基因在杂种优势形成过程的作用还不十分明确, 但其中的部分基因经转基因证实与植物的生长发育有重要关系. 例如，小麦杂种增强表达的ADP-核糖基化因子基因在拟南芥中超表达后促进植株的生长[41]，而杂种减弱表达小麦14-3-3基因超表达后则抑制植株生长（结果待发表）. 因此，在差异表达基因克隆的基础上，采用转基因方法进行功能鉴定将有助于筛选出与杂种优势相关的重要候选基因，并为进一步阐明基因差异表达与特定农艺性状杂种优势形成的关系奠定基础. 2.2 等位基因变异与杂种优势

杂合性是杂种优势的遗传学基础. 因此，杂种优势的形成取决于亲本之间的遗传差异，即等位基因变异[42~45] . 研究表明，不同玉米自交系在全基因组范围内存在广泛的等位基因序列变异. 例如，对玉米自交系B73与Mo17的基因组序列进行比较后发现, 平均每309 bp中就有一个长度（插入或者缺失）多态性, 每73 bp中就存在一个SNP. 据估计, 任何两个玉米自交系之间在每100 bp的核苷酸序列中就存在有一个多态性位点[45]. 最近，以玉米、小麦和水稻等植物的杂交种及其亲本自交系为材料研究发现，杂交种中存在广泛的等位基因表达变异[42, 43, 45,

46]

. 在杂交种中，可能正是这些不同等位变异的组合导致杂种优势的产生. 据此，

Birchler[44]提出了解释杂种优势分子机理的两种模式，一种模式是杂交种结合了来自亲本每个基因的两个不同的等位基因，这两个不同的等位基因共表达从而产生杂种优势，另一种模式是来自亲本的不同等位基因的结合可以产生互作，导致其杂种中基因表达偏离中亲值（比如基因表达上调），进而导致杂种优势的形成. 例如，玉米B和Pl转录因子基因之间的互作导致玉米花青素合成杂种优势[45]和拟南芥的FRI和FLC基因互作与开花期杂种优势[47].

基因表达受顺式作用元件和反式作用因子的影响，其中顺式作用元件（cis）主要有启动子和增强子等，而反式作用因子（trans）主要有RNA聚合酶及各类转录因子. 依据P比值（亲本间等位基因表达水平之比）和H比值（杂交种中等位基因表达水平之比）的关系，可以把等位基因的调控模式分为：无变异（Conserved） (P比值=1且H比值＝1)；2）Cis（P比值≠1， H比值≠1，P比值 =H比值）；3）Trans（P比值≠1，H比值＝1）；4）Cis +Tans（P比值 ≠1, H比值 ≠1，P比值>H比值）；5）（H比值 ≠1，P比值